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本章提要. 本章介绍设计液压传动系统的基本步骤和方法,对于一般的液压系统,在设计过程中应遵循以下几个步骤: ①明确设计要求,进行工况分析; ②拟定液压系统原理图; ③计算和选择液压元件; ④发热及系统压力损失的验算; ⑤绘制工作图,编写技术文件。 上述工作大部分情况下要穿插、交叉进行,对于比较复杂的系统,需经过多次反复才能最后确定;在设计简单系统时,有些步骤可以合并或省略。通过本章学习,要求对液压系统设计的内容、步骤、方法有一个基本的了解。.

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本章提要

本章介绍设计液压传动系统的基本步骤和方法,对于一般的液压系统,在设计过程中应遵循以下几个步骤:

①明确设计要求,进行工况分析;

②拟定液压系统原理图;

③计算和选择液压元件;

④发热及系统压力损失的验算;

⑤绘制工作图,编写技术文件。

上述工作大部分情况下要穿插、交叉进行,对于比较复杂的系统,需经过多次反复才能最后确定;在设计简单系统时,有些步骤可以合并或省略。通过本章学习,要求对液压系统设计的内容、步骤、方法有一个基本的了解。


10.1 液压传动系统的设计计算

液压传动系统的设计是整机设计的一部分,它除了应符合主机动作循环和静、动态性能等方面的要求外,还应当满足结构简单,工作安全可靠,效率高,经济性好,使用维护方便等条件。

液压系统的设计,根据系统的繁简、借鉴的资料多少和设计人员经验的不同,在做法上有所差异。各部分的设计有时还要交替进行,甚至要经过多次反复才能完成。

下面对液压系统的设计步骤予以介绍。


10.1.1 明确设计要求、工作环境,进行工况分析

10.1.1.1 明确设计要求及工作环境

液压系统的动作和性能要求主要有:

运动方式、行程、速度范围、负载条件、运动平稳性、精度、工作循环和动作周期、同步或联锁等。就工作环境而言,有环境温度、湿度、尘埃、防火要求及安装空间的大小等。

要使所设计的系统不仅能满足一般的性能要求,还应具有较高的可靠性、良好的空间布局及造型。


10.1.1.2 执行元件的工况分析

工况分析,就是查明每个执行元件的速度和负载的变化规律,必要时还应作出速度、负载随时间或位移变化的曲线图。

就缸而言,负载主要由六部分组成,即工作负载,导向摩擦负载,惯性负载,重力负载,密封负载和背压负载。


(1) 工作负载

(2) 导向摩擦负载

(3) 惯性负载

不同的机器有不同的工作负载。工作负载与液压缸运动方向相反时为正值,方向相同时为负值。

导向摩擦负载是指液压缸驱动运动部件时所受的导轨摩擦阻力。

惯性负载是运动部件在启动加速或制动减速时的惯性力,其值可按牛顿第二定律求出。


(4) 重力负载

(5) 密封负载

(6) 背压负载

密封负载是指液压缸密封装置的摩擦力,一般通过液压缸的机械效率加以考虑,常取机械效率值为0.90~0.97。

背压负载是指液压缸回油腔压力所造成的阻力。


液压缸各个主要工作阶段的机械负载F可按下列公式计算

(10.4)

空载启动加速阶段:

(10.5)

快速阶段:

工进阶段:

(10.6)

制动减速:

(10.7)


10.1.2 液压系统原理图的拟定

液压系统原理图是表示液压系统的组成和工作原理的重要技术文件。拟定液压系统原理图是设计液压系统的第一步,它对系统的性能及设计方案的合理性、经济性具有决定性的影响。

10.1.2.1 确定油路类型

一般具有较大空间可以存放油箱的系统,都采用开式油路;相反,凡允许采用辅助泵进行补油,并借此进行冷却交换来达到冷却目的的系统,可采用闭式油路。通常节流调速系统采用开式油路,容积调速系统采用闭式回路。


10.1.2.2 选择液压回路

根据各类主机的工作特点、负载性质和性能要求,先确定对主机主要性能起决定性影响的主要回路,然后再考虑其它辅助回路。例如:

对于机床液压系统,调速和速度换接回路是主要回路;

对于压力机液压系统,调压回路是主要回路;

有垂直运动部件的系统要考虑平衡回路;

惯性负载较大的系统要考虑缓冲制动回路。

有多个执行元件的系统可能要考虑顺序动作、同步回路;

有空载运行要求的系统要考虑卸荷回路等。


10.1.2.3 绘制液压系统原理图

将挑选出来的各典型回路合并、整理,增加必要的元件或辅助回路,加以综合,构成一个结构简单,工作安全可靠、动作平稳、效率高、调整和维护保养方便的液压系统,形成系统原理图。


运动

形式

往复直线运动

回转运动

往复摆动

短行程

长行程

高速

低速

建议采用的执行元件的形式

活塞式液压缸

柱塞式液压缸

液压马达与齿轮/齿条或螺母/丝杠机构

高速液压马达

低速大扭矩液压马达

高速液压马达带减速器

摆动液压缸

10.1.3 液压元件的计算和选择

10.1.3.1 执行元件的结构形式及参数的确定

结构参数的确定是指根据执行元件工作压力和最大流量确定执行元件的排量或油缸面积。

表10.1 选择执行元件的形式


1)初选执行元件的工作压力

工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据。它的大小影响执行元件的尺寸和成本,乃至整个系统的性能,工作压力选得高,执行元件和系统的结构紧凑,但对元件的强度,刚度及密封要求高,且要采用较高压力的液压泵。

反之,如果工作压力选得低,就会增大执行元件及整个系统的尺寸,使结构变得庞大,所以应根据实际情况选取适当的工作压力。


10.8)

式中 :A—液压缸工作腔的有效工作面积;

—控制执行元件速度的流量阀最小稳定流量;

—液压缸要求达到的最低工作速度。

(2)确定执行元件的主要结构参数

以缸为例,主要结构尺寸指缸的内径D和活塞杆的直径d,计算后按系列标准值确定D和d。

对有低速运动要求的系统,尚需对液压缸有效工作面积进行验算,即应保证:

验算结果若不能满足式(10.8),则说明按所设计的结构尺寸和方案达不到所需要的最低速度,必须修改设计。


3)复算执行元件的工作压力

当液压缸的主要尺寸D、d计算出来以后,要按系列标准圆整,有必要根据圆整值对工作压力进行一次复算。

在按上述方法确定的工作压力还没有计算回油路的背压,所确定的工作压力只是执行元件为了克服机械总负载所需要的那部分压力,在结构参数D、d确定之后,取适当的背压估算值,即可求出执行元件工作腔的压力。


无杆腔进油工进阶段

(10.9)

有杆腔进油阶段

(10.10)

式中 :F—液压缸在各工作阶段的最大机械总负载;

、 —分别为缸无杆腔和有杆腔的有效面积;

—液压缸回油路的背压。

对于单杆液压缸,其工作压力P可按下列公式复算。


4)执行元件的工况图

即执行元件在一个工作循环中的压力、流量、功率对时间或位移的变化曲线图。将系统中各执行元件的工况图加以合并,便得到整个系统的工况图。

液压系统的工况图可以显示整个工作循环中的系统压力、流量和功率的最大值及其分布情况,为后续设计步骤中选择元件、选择回路或修正设计提供合理的依据。

对于简单系统,其工况图的绘制可省略。


10.11)

式中: —执行元件的最高工作压力;

—进油路上总的压力损失。

10.1.3.2 选择液压泵

先根据设计要求和系统工况确定泵的类型,然后根据液压泵的最大供油量和系统工作压力来选择液压泵的规格。

(1) 液压泵的最高供油压力


10.11)

式中:

K—系统的泄漏修正系数,一般取 K=1.1~1.3;

—同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值。

(2)确定液压泵的最大供油量

液压泵的最大供油量为:


3)选择液压泵的规格型号

液压泵的规格型号按计算值在产品样本选取,为了使液压泵工作安全可靠,液压泵应有一定的压力储备量,通常泵的额定压力可比工作压力高25%—60%。泵的额定流量则宜与相当,不要超过太多,以免造成过大的功率损失。


10.13)

式中: —液压泵的总效率,数值可见产品样本。

限压式变量叶片泵的驱动功率,可按泵的实际压力流量特性曲线拐点处的功率来计算。

工作中泵的压力和流量变化较大时,可分别计算出各个阶段所需的驱动功率,然后求其均方根值即可。

(4)选择驱动液压泵的电动机

驱动泵的电机根据驱动功率和泵的转速来选择。

在整个工作循环中,泵的压力和流量在较多时间内皆达到最大工作值时,驱动泵的电动机功率为:


10.1.3.3 选择阀类元件

各种阀类元件的规格型号,按液压系统原理图和系统工况提供的情况从产品样本中选取,各种阀的额定压力和额定流量,一般应与其工作压力和最大通过流量相接近。

具体选择时,应注意溢流阀按液压泵的最大流量来选取;流量阀还需考虑最小稳定流量,以满足低速稳定性要求。


10.1.3.4 选择液压辅助元件

油管的规格尺寸大多由所连接的液压元件接口处尺寸决定,只有对一些重要的管道才验算其内径和壁厚。

对于固定式的液压设备,常将液压系统的动力源,阀类元件集中安装在主机外的液压站上,这样能使安装与维修方便,并消除了动力源的振动与油温变化对主机工作精度的影响。


10.1.4 液压系统技术性能的验算

液压系统初步设计完成之后,需要对它的主要性能加以验算,以便评判其设计质量,并改进和完善液压系统。

10.1.4.1 系统压力损失的验算

画出管路装配草图后,即可计算管路的沿程压力损失,局部压力损失,它们的计算公式详见《液压流体力学》,管路总的压力损失为沿程损失与局部损失之和。

在系统的具体管道布置情况没有明确之前,通常用液流通过阀类元件的局部压力损失来对管路的压力损失进行概略地估算。


10.1.4.2 系统发热温升的验算

液压系统在工作时,有压力损失,容积损失和机械损失,这些损耗能量的大部分转化为热能,使油温升高从而导致油的粘度下降,油液变质,机器零件变形,影响正常工作。为此,必须将温升控制在许可范围内。

单位时间的发热量为液压泵的输入功率与执行元件的输出功率之差。


10.14)

式中 —第个工作阶段系统的输入功率;

—第个工作阶段系统的输出功率;

—工作循环周期;

—第个工作阶段的持续时间;

—总的工作阶段数。

一般情况下,液压系统的工作循环往往有好几个阶段,其平均发热量为各个工作周期发热量的时均值,即


10.15)

式中: A—油箱的散热面积;

—液压系统的温升;

—油箱的散热系数,其值可查阅液压设计手册。

系统的温升为

(10.16)

液压系统在工作中产生的热量,主要经油箱散发到空气中去,油箱在单位时间散发热量的可按下式计算

计算温升值如果超过允许值,应采取适当的冷却措施。


10.1.5 绘制正式工作图和编制技术文件

10.1.5.1 绘制正式工作图

正式工作图包括液压系统原理图、液压系统装配图、液压缸等非标准元件装配图及零件图。液压系统原理中应附有液压元件明细表,表中标明各液压元件的型号规格、压力和流量等参数值,一般还应绘出各执行元件的工作循环图和电磁铁的动作顺序表。

液压系统装配图是液压系统的安装施工图,包括油箱装配图,管路安装图等。


10.1.5.2 编制技术文件

技术文件一般包括液压系统设计计算说明书,液压系统使用及维护技术说明书,零、部件目录表及标准件、通用件、外购件表等。


10.2 液压系统设计举例

某厂要设计制造一台双头车床,加工压缩机拖车上一根长轴两端的轴颈。由于零件较长,拟采用零件固定,刀具旋转和进给的加工方式。其加工动作循环是快进—工进—快退—停止。同时要求各个车削头能单独调整。其最大切削力在导轨中心线方向估计为12000N,所要移动的总重量估计为15000N,工作进给要求能在0.020~1.2m/min范围内进行无级调速,快速进、退速度一致,为 4 m/min,试设计该液压传动系统。


10.1为该机床的外形示意图。

1-左主轴头;2-夹具;3-右主轴头;4-床身;5-工件


10.2.1 确定对液压系统的工作要求

根据加工要求,刀具旋转由机械传动来实现;主轴头沿导轨中心线方向的“快进一工进—快退—停止”工作循环拟采用液压传动方式来实现。故拟选定液压缸作执行机构。

考虑到车削进给系统传动功率不大,且要求低速稳定性好,粗加工时负载有较大变化,故拟选用调速阀、变量泵组成的容积节流调速方式。

为了自动实现上述工作循环,并保证零件一定的加工长度(该长度并无过高的精度要求),拟采用行程开关及电磁换向阀实现顺序动作。  


10.2.2 拟定液压系统工作原理图

系统同时驱动两个车削头,且动作相同。为保证快速进、退速度相等,并减小液压泵的流量规格,拟选用差动连接回路。


由快进转工进时,采用机动滑阀。工进终了时。压下电器行程开关返回。快退到终点,压下电器行程开关,运动停止。由快进转工进时,采用机动滑阀。工进终了时。压下电器行程开关返回。快退到终点,压下电器行程开关,运动停止。

分别调节两个调速阀,可使两车削头有较高的同步精度。

快进转工进后,系统压力升高,遥控顺序阀打开,回油经背压阀回油箱。背压阀使工进时运动平稳。


由快进转工进时,采用机动滑阀。工进终了时。压下电器行程开关返回。快退到终点,压下电器行程开关,运动停止。10.2双头车床液压系统工作原理图


10.3由快进转工进时,采用机动滑阀。工进终了时。压下电器行程开关返回。快退到终点,压下电器行程开关,运动停止。液压缸受力图

10.2.3 计算和选择液压元件

10.2.3.1 液压缸的计算

(1)工作负载及惯性负载计算


工作负载: 由快进转工进时,采用机动滑阀。工进终了时。压下电器行程开关返回。快退到终点,压下电器行程开关,运动停止。N

油缸所要移动负载总重量: N

选取工进时速度的最大变化量: m/s

选取: s


启动时:由快进转工进时,采用机动滑阀。工进终了时。压下电器行程开关返回。快退到终点,压下电器行程开关,运动停止。

(N)

运动时:

(N)

(2) 密封阻力的计算

缸的密封阻力通常折算为克服密封阻力所需的等效压力乘以液压缸的有效面积。若密封结构为Y型,可取 Peq=0.2MPa,缸的有效面积初估值为 A1=80mm,则密封力为:


由快进转工进时,采用机动滑阀。工进终了时。压下电器行程开关返回。快退到终点,压下电器行程开关,运动停止。10.4导轨结构受力示意图

(3)导轨摩擦阻力的计算


由快进转工进时,采用机动滑阀。工进终了时。压下电器行程开关返回。快退到终点,压下电器行程开关,运动停止。N)

(N)

(4)回油背压造成的阻力计算

回油背压,一般为 0.3-0.5MPa,取回油背压 Pb=0.3MPa,考虑两边差动比为2,且已知液压缸进油腔的活塞面积A1=80 mm,取有杆腔活塞面积A2=40 mm,将上述值代入公式得:

分析液压缸各工作阶段中受力情况,得知在工进阶段受力最大,作用在活塞上的总载荷:


由快进转工进时,采用机动滑阀。工进终了时。压下电器行程开关返回。快退到终点,压下电器行程开关,运动停止。5)确定液压缸的结构尺寸和工作压力

根据经验确定系统工作压力,选取 P=3MPa,则工作腔的有效工作面积和活塞直径分别为:

因为液压缸的差动比为2,所以活塞杆直径为:


根据液压技术行业标准,选取标准直径由快进转工进时,采用机动滑阀。工进终了时。压下电器行程开关返回。快退到终点,压下电器行程开关,运动停止。

则液压缸实际计算工作压力为:

实际选取的工作压力为:


由于左右两个切削头工作时需做低速进给运动,在确定油缸活塞面积 A1之后,还必须按最低进绘速度验算油缸尺寸。即应保证油缸有效工作面积 A1为:

式中:

qmin—流量阀最小稳定流量,在此取调速阀最小稳定流量为50ml/min;

vmin—活塞最低进绘速度,本题给定为20mm/min。


根据上面确定的液压缸直径,油缸有效工作面积为:根据上面确定的液压缸直径,油缸有效工作面积为:

验算说明活塞面积能满足最小稳定速度要求。


对于调速阀进油节流调速系统,管路的局部压力损失一般取 ,取总压力损失 , 则液压泵的实际计算工作压力:

10.2.3.2 油泵的计算

(1) 确定油泵的实际工作压力,选择油泵


当液压缸左右两个切削头快进时,所需的最大流量之和为:当液压缸左右两个切削头快进时,所需的最大流量之和为:

取液压系统的泄露系数kl= 1.1 ,则液压泵的流量为:

根据求得的液压泵的流量和压力,又要求泵变量,

选取YBN-40M型叶片泵。


最大工进:此时所需的最大流量为:当液压缸左右两个切削头快进时,所需的最大流量之和为:

选取液压泵的总效率为:=0.8,则工进时所需的液压泵的最大功率为:

(2) 确定液压泵电机的功率

因该系统选用变量泵,所以应算出空载快速、最大工进时所需的功率,按两者的最大值选取电机的功率。


导轨摩擦力:当液压缸左右两个切削头快进时,所需的最大流量之和为:

空载条件下的总负载:


选取空载快速条件下的系统压力损失,则空载快速条件下液压泵的输出压力为:选取空载快速条件下的系统压力损失,则空载快速条件下液压泵的输出压力为:

空载快速时液压泵所需的最大功率为:

故应按最大工进时所需功率选取电机。


方向阀选取空载快速条件下的系统压力损失,则空载快速条件下液压泵的输出压力为::按 ,

选35D—25B(滑阀机能O型)。

单向阀:按 ,

选I-25B。

调速阀:按工进最大流量 ,

工作压力

选Q-10B。

10.2.3.3 选择控制元件

控制元件的规格应根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量,在标准元件的产品样本中选取。


调速阀选取空载快速条件下的系统压力损失,则空载快速条件下液压泵的输出压力为::按工进最大流量 ,

工作压力

选Q-10B。

背压阀:调至 , 流量为

选B-10。

顺序阀:调至大于 ,保证快进时不打开。

选X-B10B。

行程阀:按 ,

选22C-25B。


10.2.3.3 选取空载快速条件下的系统压力损失,则空载快速条件下液压泵的输出压力为:油管及其它辅助装置的选择

确定钢管通经、外径、壁厚、连接螺纹及推荐流量。

在液压泵的出口,按流量27.5l/min,查表取管路通径为10;

在液压泵的入口,选择较粗的管道,选取管径为12;

其余油管按流量12.51/min,查表取8。

对于一般低压系统,油箱的容量一般取泵流量的3~5倍,本题取4倍,其有效容积:

本系统的功率小,又采用限压式变量泵,发热少,所取油箱容量又较大,故不必进行系统温升的验算。